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摘要　设计并制作了3组新型磨料有序排布烧结金刚石锯片和1组无序锯片，进行了635^#花岗岩对比切割试验。对有序排布锯片的胎体磨损进行了分析，研究了金刚石浓度、锯片外径等因素对有序排布锯片锋利度与寿命的影响。研究发现：有序排布锯片边实层与中料层之间有个最佳金刚石浓度差，使得有序排布锯片具有最优的锋利度与寿命；有序锯片锋利度好于无序锯片，有序锯片切割性能较无序锯片稳定，有序排布锯片还可以减少金刚石浓度、节约金刚石用量、降低10%以上的金刚石材料成本。

关键字   有序排布；金刚石锯片；边料层与中料层；锋利度与寿命 

　　传统的金刚石锯片，金刚石磨料随机分布，会出现工作面上磨料负荷与磨削过程失衡、磨料利用率低、锋利度与寿命相互制约、切割性能不稳定等问题。为解决这些问题，相关单位研制有序排布金刚石锯片。韩国Shinhan金刚石工业公司、中南大学、四川惠利与台湾中华砂轮公司做了大量的研究工作，取得了丰硕的成果^[1~2]。南京航空航天大学1998年开始金刚石磨料有序排布的研究，目前，已成功研制出系列金刚石磨料有序排布机和磨料有序排布工具。主要针对新型磨料有序排布整体烧结金刚石锯片进行加工性能试验研究，以验证有序排布锯片的优越性。

1         试验设计

1.1       胎体配方设计

　　胎体常用结合剂种类有铜基、钴基、铁基、镍基、钨基或碳化钨基等。钴基结合剂因具有对金刚石的把持力好、耐磨性好、韧性好、自锐性好等优点曾被广泛应用，但钴基价格昂贵。铁基结合剂具有较高的力学性能，且对金刚石有较好的湿润性，但是铁基结合剂对金刚石有较大的刻蚀，且所制成的金刚石工具不易出刃^[3]。铜基结合剂具有锋利性好、韧性好、烧结温度低、成型性能好等特点，但是铜基结合剂对金刚石润湿性差，对金刚石的把持力低，强度硬度低[4]。综合考虑切割对象和锯片制作工艺以及成本等因素，我们选用铜基结合剂作为有序锯片胎体，为了增强胎体对金刚石的把持力和提高胎体强度硬度，胎体中不添加了铁、镍、钴等其他金属元素。

1.2       锯片制作

　　与传统整体烧结金刚石锯片相比，新型有序排布整体烧结金刚石锯片在制作流程上增加了金刚石磨料有序排布工艺。本试验采用了自行研制的磨料有序排布机对金刚石进行有序排布，有序锯片刀头采用了三层结构，其中能排布金刚石磨料的两外侧层胎体称为边料层，不能排布金刚石的磨料的中间层胎体称为中料层。

2　试验过程和结果

　　确定好配方后，按照上述工艺流程制作了3组有序排布锯片和1组无序排布锯片并进行对比试切635^#花岗岩试验，所制作的磨料有序排布锯片如图1所示。

图1　两种不同间距的有序排布锯片

　　3组有序排布锯片均使用同一配方，前2组有序排布锯片规格为Φ125mm×1.9mm×10mm×22.23mm×9T，基体厚度为1.4mm，第3组有序排布锯片规格为Φ105mm×1.7mm×10mm×22.23mm×8T，基体厚度为1.2mm。有序排布锯片边料层排布的金刚石牌号为HWD80，粒度为40/45，中料层的金刚石牌号为ZND2160，粒度为35/40，边料层金刚石排布间距与中料层金刚石浓度相异，具体情况列于表1。无序锯片中三明治锯片边料层、中料层金刚石牌号与粒度与有序锯片一样，非三明治锯片金刚石牌号为HWD80，粒度为40/45。

表1　锯片性能参数设计表

　　本试验选取某地产的635#花岗岩作为切割对象，635#花岗岩硬度较高、脆性大、研磨性强，635#花岗岩尺寸规格为640mm（长度）×17mm（厚度）。切割试验使用的切割机参数为额定电压380V，转速2840r/min，功率为2.2kW。在切割过程中，调节锯片进刀速度使其保持在某一恒定值，同时切割机操作面板上的电流表显示锯片消耗的电流大小（锯片空转电流为1.8A），电流越小说明锯片越锋利。切割相同次数后，用游标卡尺测量锯片的外径消耗，刀头磨损率＝半径消耗/总切割长度，刀头磨损率越小，说明锯片寿命越好。锯片的切割性能如表2。表2中电流为锯片切割20刀之后消耗的平均电流。

表2　锯片切割性能表

3　试验分析与讨论

3.1       有序排布金刚石锯片的刀头磨损分析

　　传统的刀头为中凹形式结构的锯片，其工作原理是：在锯片工作过程中，刀头的中间层胎体磨损快于外层胎体，因而其横截面容易形成中凹形式。但由于金刚石磨料在刀头胎体中是无序分布的，导致锯片各个刀头所形成的中凹槽中出露的金刚石磨料会形成众多微小凸起的切削刃，减弱了中凹形结构刀头的作用，因此传统的刀头为中凹形式结构的锯片在切割时角有较大的的偏摆，切割质量较差。而在本试验所研制的有序排布金刚石锯片中，只有刀头边料层表面上的金刚石是有序排布的，中料层的金刚石还是随机分布，并且由于边料层厚度大于单颗金刚石的粒径，中料层与边料层金刚石之间会有一层不含金刚石的纯胎体层，如图2所示。在有序排布锯片工作过程中，边料层中纯胎体层的磨损必将快于中料层和边料层中含有金刚石胎体层，而常规锯片的刀头在磨损后其端截面容易形成中凸形式结构，刀头两侧比中间更容易磨损，因此有序锯片边料层中含有金刚石的胎体层比中料层更易损，所以有序锯片在工作过程中其刀头的横截面形状容易呈三刃对称扇形结构，如图3所示，且各个刀头的三刃对称扇形结构相一致。在有序锯片切割岩石过程中，三刃对称扇形结构能减小刀头与岩石的接触面积，提高锋利度，并且能保证刀头全部用完，而且大大减小有序锯片的偏摆度，克服中凹形刀头切割时仍有较大偏摆、切割质量较差的缺点^[5]。此外，在三刃对称扇形结构中有两个对称的沟槽，沟槽的宽度和深度大小对有序排布锯片的锋利性和寿命有着重要的影响。

3.2       中料层金刚石浓度对切割性能的影响

　　在边料层金刚石间距、粒度和中料层金刚石粒度等因素不变的条件下，改变中料层金刚石浓度研究其对锯片切割性能的影响。有序排布锯片的切割性能变化如图4、图5所示。

　　由图4、图5可知当有序锯片中料层金刚石浓度大约为6%或12%时，对应的有序排布锯片具有最优的综合加工性能。

　　行业规定当金刚石体积分数为25%时，即金刚石含量为4.4ct/cm³时的金刚石浓度为100%，而1ct粒度为40/45的金刚石里大概有2015颗金刚石。边料层金刚石浓度可通过下面公式计算得出：

　　                                　　（1）

　　式中：n——边料层金刚石重量，经统计间距为0.8mm的Φ125mm锯片为2.2ct，间距为1.5mm的Φ125mm锯片为0.8ct；V——边料层体积，经计算Φ125mm锯片为3.0cm³。

　　由（1）式计算可得间距为0.8mm的Φ125mm锯片边料层金刚石浓度为16.7%，间距为1.5mm的Φ125mm锯片边料层金刚石浓度为7%。因此间距为0.8mm的有序锯片（边料层金刚石浓度为16.7%），当其中料层金刚石浓度大约为12%时，或者间距为1.5mm的有序锯片（边料层金刚石浓度为7%），当其中料层金刚石浓度大约为6%时，有序排布锯片具有最优的综合加工性能。

　　图6、图7、图8分别为6号、8号、9号有序锯片的刀头磨损情况。

　　比较图6、图7、图8中有序锯片的刀头磨损情况可知，中料层金刚石浓度的不同会对沟槽的宽度和深度造成影响。由从图6与图7中可以看出，当中料层金刚石浓度太小时，刀头上中刃的宽度较小，两沟槽的宽度和深度过大，这是因为中料层金刚石浓度太小，中料层工作面上出露的有效金刚石磨粒数就越少，刀头磨损后形成的中刃宽度很小，沟槽宽度和深度过大，刀头碎岩效果差，而有效金刚石磨粒数越少，金刚石容易破碎而过早失效，中料层胎体磨损过快，因此锯片锋利度差，寿命短。

　　而由从图7与图8中可以看出，当中料层金刚石浓度过大时，刀头磨损后形成的中刃宽度很大，两沟槽的宽度和深度很小，这是因为中料层金刚石浓度过大，中料层工作面上出露的有效金刚石磨粒数越多，金刚石很难发生微破碎和出刃，中料层胎体磨损比边料层慢，刀头磨损形成的中刃宽度过大，两沟槽的宽度和深度很小，刀头倾向圆弧化，因此锯片的锋利度差，寿命也不高。可见，有序排布锯片中料层与边料层之间有个最佳金刚石浓度差，它使得刀头在磨损后形成了沟槽深度和宽度配置合理的三刃对称扇形结构，实现中料层和边料层的同步磨损，从而使得有序排布锯片具有最优的综合加工性能。

3.3       锯片外径对切割性能的影响

　　由图4、图5可知，在边料层金刚石间距、粒度和中料层金刚石粒度、浓度等因素不变的条件下，改变锯片的外径也会对锯片切割性能造成影响。根据文献^[8]介绍，在一般情况下，随着锯片外径增加，锯片的线速度增大，同时金刚石受到的冲击力增大使得金刚石发生微破碎，从而提高锯片的锋利度，另外，随着外径增加，锯片外径磨损越小。从图4、图5可以看出有序排布锯片也符合这种情况。图9为13号有序锯片的刀头磨损情况。

图9　13号有序锯片的刀头磨损情况

 　　从图9中可以看出，13号有序饰的刀头在磨损后其工作面上出现了两条中刃和三条沟槽，而9号有序锯片的刀头在磨损后，其工作面上出现的中刃宽度过大，刀头倾向圆弧化，由此可见13号有序锯片刀头比9号更易磨损，而这两种锯片只有外径不一样，其他参数都一样。出现上述现象的原因是由于锯片外径小，切割相同长度的花岗岩时，锯片旋转的次数越多，胎体受到岩粉冲蚀的次数就越多，因而胎体易磨损，寿命变短。增大边料层和中料层金刚石浓度，可以增强胎体耐磨性。间距为1.5mm的Φ105mm有序锯片在中料层金刚石浓度大约为8%时，具有最优的综合加工性能（寿命短），而间距为1.5mm的Φ125mm有序锯片在中料层金刚石浓度大约为6%时，具有最优的综合加工性能。可见，当边料层金刚石间距相同时，适当增大中料层金刚石浓度，可以提高小外径有序排布锯片的锋利度与寿命。

3.4       有序锯片与无序锯片的对比分析

　　本试验制作的无序锯片分为传统加压烧结锯片和三明治加压烧结锯片，其切割性能变化如图10、图11所示。

　　从图10、图11可以看出，并非所有的有序锯片锋利度与寿命都好于无序锯片。当其中料层金刚石浓度为12%时，有序排布锯片锋利度比相应三明治无序锯片高出18%，比金刚石浓度为14%的非三明治无序锯片高出12%，而寿命相差较小。因此性能优异的有序锯片锋利度好于无序锯片，而寿命相差较小。本试验中很多无序锯片在切完20刀之后继续切割时，会出现电流过大、锯片切割打滑甚至切不动问题，而有序锯片几乎不会出现这种问题，可见有序锯片切割性能较无序锯片稳定。

　　锯片所消耗金刚石的量，可通过下面公式计算得出：

　　N=4.4VC　　　　　　　　　　　（2）

　　式中：Ｃ——金刚石浓度；Ｖ——锯片体积，三明治锯片边料层体积为3.0cm³，中料层体积为2.9cm³，非三明治锯片体积为5.9cm³。

　　通过（2）式计算得中料层质量浓度为12%的有序排布锯片或三明治无序锯片所耗金刚石的量为3.7ct，金刚石浓度为14%和17%的非三明治无序锯片，所耗金刚石的量分别为3.7ct和4.4ct。由于有序排布锯片中料层金刚石牌号为ZND2160，而非三明治无序锯片金刚石牌号为HWD80，所以有序排布锯片可以降低10%以上的金刚石材料成本。如果在有序排布锯片刀头工作层中按着优化地貌进行有序排布金刚石磨料，不仅可以大幅度提高锯片的锋利度与寿命，还可以减少金刚石浓度、节约金刚石用量。

4              结论

（1）       有序排布锯片料层与边料层之间有个最佳金刚石浓度差，使得刀头在磨损后形成了沟槽深度和宽度配置合理的三刃对称扇形结构，实现中料层和边料层的同步磨损，从而使得有序排布锯片具有最优的综合加工性能。

（2）       有序排布锯片的外径减小，导致锯片胎体更易磨损，锯片锋利度变差，寿命变短。当边料层金刚石磨料间相同时，适当增大中料层金刚石浓度，可以提高小外径有序排布锯片的锋利度与寿命。

（3）       有序排布锯片和无序锯片比较，其锋利度好，切割性能稳定，还可以减少金刚石浓度、节约金刚石用量，可降低10%以上的金刚石材料成本。

参考文献：

[1]　PARK M.ARIX-a major abvance in diamond segment design[J].IDR,2005,(2):40-42.

[2] 张绍和，杨仙，谢晓红，等.金刚石有序排列对锯片性能的影响[Ｊ].金刚石与磨料磨具工程，2008（2）：448－451.

[3]　孙毓超，刘一波，王秦生，金刚石工具与金属学基础[Ｍ].北京：中国建材工业出版社，1999.

[4]　毕晓勤，朱建业，王洁，等.铜基金刚石锯片机械性能提高途径的探讨[Ｊ].金刚石与磨料磨具工程，2009，171（3）：65－67.

[5]　徐西鹏.金刚石圆锯片节块几何形状对磨损机理的影响[Ｊ].磨料磨具与磨削，1995，85（1）：17－19.

作者简介

段端志，1988年生，男，江西吉安人，南京航空航天大学硕士研究生，主要从事高效精密加工技术研究。